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1、五轴数控机床的动态特性测定和调整方法摘要：五轴机床对机床装备制造业意义非凡，RTCP功能是衡量五轴机床性能的重要指标。在执行RTCP过程中，由于旋转轴的加入，需要对直线轴进行非线性补偿，因此旋转轴 和直线轴的伺服动态特性需要进行测定和调整，才能保证加工动态精度。本文对RTCP原理进行了简单介绍，设计了一种五轴动态精度测定算法，通过该算法对五轴机床的5个伺服轴特性进行了强弱排序，从而对伺服参数进行优化和调整。以五轴叶轮加工为例，将伺服 参数调整前后所加工的叶轮的加工质量进行对比，证明该方法取得了较好的效果。关键字：RTCP五轴动态精度；伺服不匹配度Abstract:Five-axis mach
2、ine is sig ni fica nt for tool equipme nt manu facturi ngin dustry, and the fun cti on of RTCP is a very importa nt refere nee to evaluate the performanee of a five-axismachine tool. During the process with the RTCPfunctionturning on, it needs a nonlinearpositioncompensation for the linear axes beca
3、useof the rotary axes, so the ability of servo following of the linear axes and rotary axes is required to guarantee the processing dynamic precision. In this paper, the principle of RTCP is introducedand a kind of five-axisdynamic precisionmeasurement algorithm is designed. According to the algorit
4、hm ,the five axes are ordered, which helps to optimize and adjust the servo parameters . Taking five axis impeller machining as an example, the machining quality of the impellersis compared before and after the adjustment of the servo parameters,and it shows that the betterresults are obta in ed.Key
5、words: RTCP; five-axis dynamic precision; servo dismatching degree五轴数控机床比原有的三轴数控机床拥有更多优点，如加工复杂曲面、减少加工工序从而 提高加工效率。但是由于旋转轴的存在，在执行RTCP过程中，旋转轴和直线轴会进行非线性运动，因此需要对五轴机床的动态特性进行控制，其动态精度成为影响加工精度的主要 原因之一。五轴数控机床动态精度主要源于伺服系统加减速响应性能、零件受力变形、刀 具振动、主轴转速、机床进给大小等。按照常规的伺服匹配测定方法无法准确对直线轴和旋转轴进匹配，五轴动态精度测定方法以RTCF功能特性为基础，建立直线
6、轴和旋转轴联动模型，通过测定后的结果为依据，来调整五轴数控机床的伺服参数，使伺服系统达到更 好的状态，从而提高五轴联动数控机床的动态精度，提高机床的加工精度。1. RTCP原理介绍RTCP是 Rotation Around Tool Center Point的英文缩写，即图 1中刀具中心点编程。启用RTCP控制系统会自动计算并保持刀 具中心始终在编程的 XYZ位置上，刀具中心 始终在编程坐标系中，转动坐标每个运动都 会被编程坐标系 XYZ的直线位移所补偿2 使用RTCP可以直接编程刀具中心的轨迹， 而不用考虑五轴机床结构参数，大大简化了 五轴工艺编程和提高了加精度。2. RTCP动态精度测定原
7、理： _ h.,. ,.ri在三坐标机床中，经常采用圆度测试来检测任意直线轴间的动态特性是否匹配，但在五坐标机床运动过程中，由于旋转轴的加 入，必须在每个插补点对旋转轴运动而带来的直线轴偏差进行非线性补偿，因此也必须对 旋转轴和直线轴间的动态特性进行伺服匹配。由于旋转轴和直线轴的控制单位不一样，不 能像直线轴那样直接采用圆度测试，采用本方法，可以对五个轴的动态特性进行测试和排 序，从而为伺服参数调整提供依据。2012ZX04001-012)基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题（以X、Y、Z直线轴加A、C转台轴的五轴机床为例，分析五轴之间的动态精度的调整 方案。本测定方案之前
8、，需保证 X、丫、Z直线轴按照普通三轴机床调试策略进行了直线轴 之间的匹配。在RTCP运动过程中，A轴运动会引起 丫 Z轴运动，C轴运动会引起X、Y轴运动。虽 然加工过程中，五个轴会进行RTCP联动，其动态精度测定过程也需要五个轴进行插补运动。但是由于建立五坐标 RTCP动态测定模型比较困难，即使能够建立模型，反映动态匹 配的指标也不能够直观地引导进行伺服参数的调整，因此需要对两个旋转轴以及关联的直线轴分别进行测定，简化 RTCP动态测定模型。本例中，A轴和丫 Z轴为一组测定，C轴和X、Y轴为另一组测定。由于 Y轴与A轴和C轴都有关联，在调试过程中 Y轴伺服参数 在一组测定完成后，另一组测定过
9、程中不再进行调整。以旋转轴A为例，在RTCP生效时，A轴旋转时，其关联的 Y、Z轴实际运动轨迹是以 转动半径为圆心的圆弧。这里需要测定的内容包括：丫、Z直线轴之间的匹配和 A、Y、Z旋转轴和直线轴之间的匹配。具体测定过程如下：（1）Y、Z直线轴之间的匹配计算每个采样点实际位置和指令在旋转路径所在的象限中选取若干机床实际坐标采样点，位置之间的误差值（图 2），根据每一象限误差总和 和采样点的个数 X，由下面计算公式得出不匹配值：斗-3-2-4_N1 N3 _N2 _N4 （公式 1）当计算结果：大于零，Y轴比Z轴强；小于零，Y轴比 轴弱。对于C轴、X、Y轴的处理办法和 A轴、Y、Z轴是一 样的，
10、以上测量过程就是常用的圆度测试方法。（2）A Y、Z旋转轴和直线轴之间的匹配在旋转路径所在的象限中选取若干机床实际坐标采样点，通过丫 Z轴的实际位置可以计算出 A轴最优位置图3的值，A的实 际位置由采样得到，计算 A轴的最优位置和实际位置之间的误 差值，根据误差总和；和采样点的个数，由计算公式：；/ 得到误差平均值，就可以判断直线轴和旋转轴的强弱。C轴与X、Y轴的判断方法和 A轴的方法是一样的。根据上面测定方法，确定五个轴的强弱程度的排序，以此来进行伺服参数的调整。调整过程中，旋转轴的伺服参数不进 行调整，只调整直线轴的伺服参数。五轴动态精度测定流程见图 4所示。动态精度测定开始旋 转 轴 测
11、 疋测试用例计算 直线 轴之 间不 匹配 度计算旋转轴和直线轴之间不匹配度伺服参数调整“硼艸阳序动态精度测定结束图4:五轴动态精度测定流程图3. 功能测定及结果分析为了测试算法的可行性，对叶轮加工做了对比实验，实验过程及结果如下：3.1实验装置1、DMG勺AC双转台五轴机床(图5)；2、FANUC3、SSTT采样软件。简单介绍一下 SSTT采样软件，SSTT是伺服调整工具(Servo Self Test Tools )的简 称，主要用于配置 FANUC数控系统的机床在线调试、诊断过程，也可以作为一种离线数据 分析工具。本实验主要通过 SSTT工具采集各轴运动机床实际坐标数据，应用本文提出五轴动
12、态精度测定方法来进行伺服参数调整，从而提高五轴RTCP动态特性。3.2实验方案第一步，按照机床原定的伺服参数，加工叶轮的流道、大叶片及小叶片。第二步，采用RTCF动态精度测试方法，计算直线轴与直线轴、旋转轴与直线轴之间 的不匹配度情况：(1)以A轴测试为例，在SSTT采样软件上设置好测试程序的相关参数，生成采样程序并发送到下位机，测试程序如下：%12345; A轴行程-90度到0度，开启RTCF功能，实现 A Y、Z轴联动；G54 X-10 Y-20 Z-30 F2000G01 A0G128M00G01 A-90M00G01 A0M30机床运行该程序，由 SSTT采集各轴的机床实际位置。当程序
13、运行到G43.4H1时，RTCP功能开启，运行到第一个M00时，SSTT采样开始，运行到第二个 M00时，SSTT采样结束。采样过程中，以时域图和圆轨迹图显示采样情况，如图6和图7。图6:采样时域图图7采样圆轨迹图RTCP动态精度测试方法，计算直线轴(2)由采集的各轴的机床实际位置，用本文上述的 与直线轴、旋转轴与直线轴之间的不匹配度。第三步，通过计算结果来指导机床伺服参数(主要是轴的位置比例增益)调整，使其 达到更佳的匹配状态。如图 1所示，五轴RTCP功能最基本的原理是保证旋转轴运动时刀具 中心点保持不变，机床运动过程中使控制点绕着刀具中心点旋转，其刀具中心点到控制点 的距离称为转动半径。
14、由于双转台类型结构的五轴机床，在实际加工中，刀位点是连续变 化的，因此转动半径也是变化的，在动态精度测定前需要确定一个参考的转动半径作为测 试样本用例。在本次实验中根据叶轮的加工区域选择最大的转动半径作为测试用例，测定 速度2000mm/min为实际叶轮加工的切削速度。测试中具体各轴调整情况如下：(1) A 轴Y、Z、A轴伺服匹配见表1。实验序 号A位置比 例增益Y位置比例增、人 益Z位置比例增 益直线轴伺服不匹配度/ Pm旋转轴不匹配度/ km1130012851283-1.52817.4992130012801283-1.5223.7203130012801283-1.525-0.947表
15、1： Y、Z、A轴的伺服匹配情况在进行A轴测定之前，由于旋转轴和直线轴之间控制单位不一样，需要先设定一个基 准。在本实验中，以旋转轴为基准，尽量将A轴的位置比例增益调整到最优位置，该机床A轴位置比例增益调整到1300为上限，接下来做匹配时只需调整直线轴Y轴和Z轴的位置比例增益。以第三组实验为例，计算过程如下：各象限的误差总和及采样点数分别为；_,=33-605.890 X 10 mm 名2 = 0, = 0,名4 = -544.922 X 10 mm N 1= 1913 , N 2 = 0, N3 =0 , 4 = 1160，考虑转台的旋转方向矢量和 G代码的指令方向，由计算公式 1，计算出 直线轴的伺服不匹配度为 -1.525同理计算旋转轴和直线轴之间的不匹配度为-0.947按照以上步骤计算 A轴和C轴的各组实验数据，比较实验数据得实验结果。A轴测定条件下，匹配情况最好时，A轴、Y轴和Z轴的位置比例增益分别为：A1300,Z1283, Y1280。C轴X、Y、C轴的伺服匹配见表 2。实验序号C位置比 例增益
